Budowa i zasada działania dysków twardych oraz ich interfejsy

1. Budowa i zasada działania dysków twardych oraz ich interfejsy WSTECZ MENU DALEJ

2. Pamięć masowa Mianem pamięci masowej (ang. mass memory, mass storage) określa się różne techniki i urządzenia pozwalające na trwałe przechowywanie dużych ilości danych cyfrowych (w przeciwieństwie do ulotnej i mało pojemnej pamięci RAM). Urządzenia służące do odczytu i zapisu nazywane są napędami; dane są przechowywane na nośnikach. WSTECZ MENU DALEJ

3. Rodzaje interfejsów stosowanych w dyskach WSTECZ MENU DALEJ

4. Ferranti Mark I WSTECZ MENU DALEJ

5. Historia Pierwszy w historii twardy dysk pojawił się w 1957 roku. Wtedy to firma IBM zaprezentowała urządzenie o nazwie RAMAC 350 (Random Access Method of Accounting and Control).Złożony z pięćdziesięciu 24-calowych dysków zespół miał pojemność 5 MB. RAMAC był nie tylko szybszy, ale i pojemniejszy od dotychczasowych rozwiązań opartych na pamięciach bębnowych. Wzorem dla dzisiejszych dysków twardych były wypuszczone w latach siedemdziesiątych, przez firmę IBM, tzw. Winchestery. Pamięć w tych dyskach była rozłożona 2x30MB. Z tego układu powstała przez analogię do wymiarów gwintu słynnego karabinu, nazwa serii. Talerze tych dysków miały średnicę 14-cali, głowice poruszały się na poduszce powietrznej w odległości zaledwie 17 mikrocali (około 0,4 mm) od powierzchni nośnika, a wszystkie talerze były umieszczone na wspólnej osi (tzw. wrzecionie dysku). WSTECZ MENU DALEJ

6. Ramac 350 WSTECZ MENU DALEJ

7. Wstęp Dla nie zaawansowanych użytkowników na pierwszy rzut oka wydaje się że dyski twarde nie zmieniają się ceny maleją a pojemności rosną a technologia pozostaje ta sama. Tymczasem w konstrukcji poszczególnych modeli dysków pojawiają się duże różnice. Kupując dysk do laptopa należy wziąśćpod uwagę inne parametry niż przypadku dysku do komputera stacjonarnego. WSTECZ MENU DALEJ

8. Wyróżniamy następujące rodzaje dysków WSTECZ MENU DALEJ

9. Jak działa dysk ? Sposób działania dysków jest prosty. Dane zapisywane są w materiale magnetycznym pokrywających powierzchnię wirujących talerzy. Każdy talerz ma dwie strony i na każdą z nich przypada jedna głowica, która zapisuje i odczytuje dane. Głowice poruszają się po łuku od środka wewnętrznej części talerza do zewnętrznej i z powrotem, gdy talerze wirują, a dane są odczytywane lub zapisywane. W transferze danych między talerzami dysku a pamięcią RAM komputera zawsze pośredniczy pamięć podręczna (cache) dysku. Cała procedura jest zarządzana przez wbudowany kontroler dysku, który wykonuje tysiące operacji w ciągu sekundy. WSTECZ MENU DALEJ

10. Budowa twardego dysku głowice - służą do odczytywania danych. Wszystkie głowice osadzone są na jednej osi, a więc poruszają się w tym samym czasie i w ten sam sposób, jednak nie odczytują danych jednocześnie. Głowice nie dotykają talerzy - unoszą się na poduszce powietrznej. talerze - płaskie krążki wykonane zazwyczaj z kompozytu lub metalu (rzadziej ze szklą) i po krytych materiałem magnetycznym. Na nich przechowywane są dane. Liczba talerzy może być różna. łożyska - na nich talerze obracają się. Dawniej stosowane były łożyska kulkowe, które były podatne na zużycie, nagrzewały się i hałasowały. Obecnie królują łożyska olejowe (hydrodynamiczne). obudowa-chroni talerze i głowice przed uszkodzeniami oraz rozprasza ciepło silnik - dzięki silnikowi talerze dysku obracają się. Awarie silnika zdarzają się niezmiernie rzadko. Jeśli dysk nie chce się kręcić, najprawdopodobniej silnik nie jest zasilany. elektronika - płytka drukowana z naniesionymi układami scalonymi i innymi elementami odpowiada za pracę dysku - znajduje się tam pamięć cache, interfejs i sterownik dysku. otwór wentylacyjny - to, że dysk jest hermetycznie zamknięty, nie znaczy, że wewnątrz panuje próżnia. W środku dysku jest idealnie czyste powietrze, a ciśnienie wyrównywane jest poprzez otwór wentylacyjny zabezpieczony bardzo efektywnymi filtrami. interfejs - system przesyłu danych z i do dysku. W napędach stosowane są różne interfejsy, różniące się typem i wtyczkami. Do zastosowań konsumenckich służą interfejsy PATA i SATA, do zastosowań profesjonalnych SCSf, FC i SAS. zasilanie - aby dysk twardy działał, musi oczywiście być zasilany. Dziś starego typu czteropinowe gniazda molex wypierane są przez wygodniejsze w użyciu zasilanie zgodne ze standardem SATA. WSTECZ MENU DALEJ

11. O co chodzi z tą próżnią ? Dysk twardy jest zamęty hermetycznie, nie oznacza to, że w jego środku panuje próżnia. Wręcz przeciwnie, w takich warunkach napęd nie byłby w stanie działać. Głowice dysku unoszą się nad talerzami na poduszce powietrznej i jest to mechanizm niezbędny do prawidłowej pracy napędu. Oczywiście powietrze w środku jest idealnie sterylne, Ponieważ nawet najdrobniejszy pyłek mógłby uszkodzić dysk. Każdy dysk ma malutkie otwory wentylacyjne, wyposażone w bardzo skuteczne filtry służące do wyrównywania ciśnienia powietrza w dysku. WSTECZ MENU DALEJ

12. Obroty głośność oraz temperatura Jednym z podstawowych parametrów dysków Jest szybkość obrotowa - czyli liczba obrotów wykonywanych przez talerze w ciągu minuty. większość dysków 3,5 cala do stacjonarnych pecetów ma prędkość obrotową 7200 obr./min. W laptopach sytuacja wygląda inaczej. Energooszczędne dyski mają 4200 obr./min, a najszybsze aż 7200 obr./min. Jednak najwięcej Modeli napędów pracuje z prędkością 5400 obr./min. Co jest kompromisem między wydajnością dysku a ilością pobieranego prądu. Prędkość obrotowa ma wpływ na inne parametry napędu: • czas dostępu - wyższa prędkość obrotowa to niższy czas dostępu do danych, a więc płynna praca całego systemu operacyjnego, • prędkość odczytu i zapisu -wyższa prędkość obrotowa pozwala na szybszy zapis i odczyt danych - ma to duże znaczenie przy kopiowaniu i przenoszeniu plików oraz podczas uruchamiania programów wgrywających dużo danych do pamięci, WSTECZ MENU DALEJ

13. Obroty głośność oraz temperatura • temperatura pracy - parametr istotny zwłaszcza w przypadku laptopów. Niestety, im większa prędkość obrotowa, tym bardziej nagrzewa się dysk. Powoduje to nagrzewanie się komputera i zwiększa zużyjcie prądu przez podzespoły chłodzące, • pobór energii - wolniejsze dyski zużywają mniej prądu. Jest to ważne w przypadku notebooków - z napędem 4200 lub 5400 laptop może działać dłużej na bateriach, • hałas - we wszystkich dyskach stosowane są łożyska olejowe. W przypadku dysków 4200 i 5400 obr./min. Efektem jest bezgłośna praca. Dyski 7200 obr./min zazwyczaj cicho szumią (tonacja szumu jest różna dla różnych producentów, również uciążliwość tego dźwięku zależy od preferencji użytkownika). Dyski 10 000 obr./min i szybsze z reguły generują dokuczliwy dla otoczenia dźwięk. WSTECZ MENU DALEJ

14. W tabeli przedstawione są zależność parametrów dysku od prędkości obrotowej. Jak widać, różnice między wolnymi i szybkimi dyskami są wyraźne. Należy wspomnieć, że wolny dysk twardy spowalnia wszystkie operacje wykonywane na komputerze. WSTECZ MENU DALEJ

15. Pamięć podręczna Kolejnym bardzo ważnym parametrem dysku jest pamięć podręczna. Służy ona do przechowywania odczytanych danych przed wysłaniem do pamięci RAM oraz nadsyłanych informacji przed zapisaniem w napędzie. Rozwiązanie to eliminuje opóźnienia w zapisie i odczycie plików. Dane odczytane z talerzy są wysyłane w porcjach do pamięci cache. Dzięki temu, gdy komputer odczytuje jedną porcję danych z cache’u, dysk w tym samym czasie może zająć się odczytaniem kolejnych informacji. To rozwiązanie daje najwięcej w przypadku małych plików, które w całości mieszczą się w pamięci podręcznej. O ile jednak samo cache to dobrerozwiązanie, to nie warto dopłacać, kupując dyski z bardzo rozbudowaną pamięcią dodatkową. Z testu wynika, że nawet dwukrotna różnica w objętości pamięci cache nie jest zbytnio zauważalna podczas zwykłegoużytkowania komputera. WSTECZ MENU DALEJ

16. Droga danych z dysku do pamięci RAM DRAM Odczyt Dysk Chipset Cache Zapis Przesyłanie danych z dysku do RAM-u odbywa się w dwóch etapach. Pierwszy odcinek, który muszą pokonać dane, jest najwolniejszy - zależy od prędkości odczytu danych z dysku i jest kilkakrotnie mniejszy niż przepustowość interfejsu WSTECZ MENU DALEJ

17. Pojemność i gęstość Pojemność dysku zależy od gęstości zapisu danych (liczba megabajtów, które można zmieścić na jednym talerzu) oraz od liczby talerzy. Im gęściej upakowane dane, tym mniej talerzy trzeba zastosować, aby osiągnąć daną pojemność, a to oznacza, że dysk będzie pracował ciszej i mniej się nagrzewał. Dzięki zastosowaniu zapisu prostopadłego gęstość ułożenia danych wzrosła. Stąd pojawiły się na rynku komputerów dysków 3,5 o pojemności 1 TB i laptopowych 2,5 o pojemności 200 GB. WSTECZ MENU DALEJ

18. Awarie Nowoczesne dyski twarde są dosyć długowieczne. Co ważne, dotyczy to produktów wszystkich firm. Jeśli tylko nie narażamy ich na wstrząsy, uderzenia i bardzo wysoką temperaturę, mogą działać długo - nawet kilkanaście lat. W praktyce najczęściej wymieniamy dysk na nowy nie z powodu awarii , ale ze względu na szybkość, pojemność czy głośność pracy. Warto jednak wspomnieć o parametrze MTBF (średni czas pracy między awariami). Jednak sposób obliczenia tego parametru budzi gorące dyskusje. Producenci badają bowiem jednocześnie wiele egzemplarzy dysków tego samego typu i dodają do siebie wyniki. A to znaczy, że wynik MTBF sięgający miliona godzin, ale przeprowadzony z użyciem dwudziestu dysków, daje nam średni czas pracy na poziomie pięciu lat.. WSTECZ MENU DALEJ

19. Dyski nowej generacji Napędy SSD (ang. Solid State Disc, dysk stały) i hybrydowe to zupełnie nowa jakość w dyskach twardych. Teraz przełamywany jest panujący od lat schemat konstrukcji składających się z talerzy. Co prawda od czasu do czasu powstawały rozwiązania, takie jak dyski oparte na pamięciach RAM ale były to raczej ciekawostki technologiczne niż użyteczne rozwiązania. Jednak dziś dzięki spadkowi cen pamięci flash można ją wykorzystać do budowy dysków o dużych pojemnościach. WSTECZ MENU DALEJ

21. Flash w służbie jako dysk twardy Dyski SSD zamiast talerzy, głowic i silnika mają pamięci flash o dużej pojemności. Oznacza to, że z konstrukcji napędów wyeliminowano części mechaniczne. Dzięki temu znacznie zwiększono odporność dysków SSD na wstrząsy czy upadki. Ponadto brak elementów ruchomych spowodował spadek poboru energii oraz obniżenie temperatury pracy. Dzięki temu urządzenia SSD idealnie nadają się do stosowania w laptopach. Do zalet konstrukcyjnych dysku dochodzą zalety użytkowe - SSD mają kilkudziesięciokrotnie mniejszy czas dostępu do danych : niż klasyczny dysk, a prędkość transferu jest stała. Oznacza to, że w systemie bazującym na SSD praktycznie nie spotkamy się z żadnymi przestojami, nawet w przypadku wykonywania dużej ilości operacji dyskowych. WSTECZ MENU DALEJ

22. Dysk hybrydowy Ze względu na wysokie ceny SSD producenci postanowili stworzyć coś pośredniego między dyskiem flash a klasycznym. W ten sposób wymyślono dyski hybrydowe. Dysk hybrydowy to klasyczny dysk mechaniczny wyposażony dodatkowo w pamięć flash o pojemności od kilkuset megabajtów do jednego gigabajta. Pamięć ta działa podobnie jak pamięć cache dysku, z tym że jest większa i działa pod kontrolą systemu operacyjnego. Na część flashową dysku hybrydowego trafiają na bieżąco dane, które są często używane (odczytywane i zapisywane przez system. WSTECZ MENU DALEJ

23. Podłączenie dysku twardego Zainstalowanie dysku twardego jest bardzo łatwe lub nieco skomplikowane, w zależności od wybranego interfejsu. Podłączanie dysku SATA ogranicza się do połączenia dwóch przewodów - czerwonej wstążki SATA, służącej do przesyłania danych, oraz zakończonego czarną płaską wtyczką kabla zasilającego . Pomyłka przy podłączaniu jest j niemożliwa - gniazda mają kształt litery L , więc wtyczek nie da się włożyć odwrotnie. W przypadku dysków ATA sytuacja jest bardziej skomplikowana. Ponieważ na jednym kanale ATA (na jednej szerokiej 8O-żyłowej taśmie) mogą być podłączone dwa napędy (dyski twarde lub CD/DVD), należy uważnie skonfigurować dysk przed podłączeniem i wpiąć w niego odpowiednią wtyczkę. WSTECZ MENU DALEJ

24. Podłączenie dysku twardego Na początku musimy przyjrzeć się schematowi i aby zdecydować o sposobie podłączenia napędów. Następnie w zależności od tego, czy nasz dysk ma być podłączony jako master lub slave, musimy odpowiednio skonfigurować zworki . Zgodnie z instrukcją zamieszczoną na etykiecie dysku, konfigurujemy zworki. Jeśli podłączamy tylko jeden dysk, zworki trzeba ustawić w pozycji single (ang. pojedynczy) lub cable select (komputer decyduje o priorytecie dysku) i podłączyć do ostatniego złącza na taśmie. WSTECZ MENU DALEJ

25. Podłączenie dysku twardego Dysk zazwyczaj montujemy w poziomie, elektroniką do dołu, lub w pionie, elektroniką na bok . Czasem podłączając dysk na szybko, bez wkręcania śrub, stawiamy łub kładziemy urządzenie w różnych dziwnych pozycjach. Dawniej wszelkie ułożenia poza wymienionymi mogłyby być dla dysku szkodliwe. WSTECZ MENU DALEJ

26. Problemy i błędy sposób ich rozwiązania. Błędy na dysku twardym dzielimy na dwa rodzaje: logiczne i fizyczne. Błędy fizyczne czyli „bad sectory” powstają w skutek uszkodzeń powierzchni talerza. Jeżeli pojawi się taki błąd należy jak najszybciej wykonać kopie danych, ponieważ dysk może w każdej chwili przestać pracować. Błędy fizyczne to rezultat wstrząsu lub uderzenia w dysku. Odległość między głowica a talerzami wynosi kilka mikrometrów, nawet najmniejszy wstrząs dysku w trakcie pracy może sprawić porysowanie talerzy a w konsekwencji nie odwracalne uszkodzenie dysku. Na początku może być to nie zauważalne ponieważ dysk ma pewna ilość zapasowego miejsca i elektronika dysku automatycznie zastępuje uszkodzone miejsce rezerwowym. Takie miejsce rezerwowe nazywamy „powierzchnią serwisową”. Służy ona jako backup dla danych pochodzących z uszkodzonych sektorów. Sektor który sprawia problemy podczas odczytu danych jest zaznaczany jako błędny a jego miejsce zajmują sektory serwisowe. WSTECZ MENU DALEJ

27. Problemy i błędy sposób ich rozwiązania. Jednak uderzenie głowicy o talerz powoduje odkruszanie się drobin lakieru, które obijają się potem wewnątrz dysku powodując kolejne uszkodzenia. Natomiast błędy logiczne powstają podczas niespodziewanych wyłączeń lub resetu komputera. Prowadzą one zazwyczaj do utraty albo uszkodzeń danych które są używane w chwili restartu. Czasem może to być plik który edytowaliśmy a może to być nawet plik systemowy, którego brak może spowodować uszkodzenie systemu operacyjnego. WSTECZ MENU DALEJ

28. Defragmentacja Pliki są zapisywane na dysku w pierwszych wolnych klasterach, które znajdzie w systemie. Często zdarza się że pierwsze wolne miejsce jest za małe aby zmieścić tam plik, więc jest on rozbijany na kilka części i rozmieszczonych w odległych od siebie klasterach. Proces dzielenia plików na kawałki nazywany jest fragmętacją i prowadzi do spadku wydajności operacji odczytu i zapisu danych. Aby z tym walczyć musimy wykonywać defragmentację dysku. System Windows ma wbudowane narzędzie do defragmentacji, ale jest ono powolne i mało skuteczne. Najlepiej korzystać z innych narzędzi które są wydajniejsze np. Diskeeper lub AshampooMagicalDefrag. Klaster to najmniejsza jednostka pojemności w systemie plików. W klasterze możemy przechowywać tylko jeden plik nawet jeśli ten plik jest mniejszy niż wielkość klastera. WSTECZ MENU DALEJ

29. Interfejsy dysków twardych WSTECZ MENU DALEJ

30. KONIEC WYKONAŁ: Krzysztof Gromowski Kl. III TI WSTECZ MENU